Badanie pokazuje, jak materiały ziarniste wydostają się z dżemu

Badanie pokazuje, jak materiały ziarniste wydostają się z dżemu
Anonim

Naukowcy badają skomplikowane kwestie pozornie prostych zjawisk

Image

Fizycy z University of Chicago dokonali dokładnych pomiarów przepływającego piasku, które mogą pomóc w rozwiązywaniu długofalowych pytań dotyczących różnic między szklankami a płynami na poziomie atomowym, podają naukowcy w czwartkowym wydaniu czasopisma Nature z 23 czerwca.

Zdjęcie: Eric Corwin (siedzący), absolwent fizyki, oraz Heinrich Jaeger, profesor fizyki na Uniwersytecie w Chicago, przeglądają dane z ich nowego badania na temat tego, jak zmienia się zachowanie materiałów ziarnistych ze stanu zablokowanego do płynnego . Badanie, które zostanie opublikowane w czasopiśmie Nature z 23 czerwca, ma implikacje dla rozwiązywania długotrwałych pytań na temat różnic między szkłami a cieczami na poziomie atomowym. Urządzenie na pierwszym planie wyświetla linie siły, gdy są one przenoszone przez dyski polimerowe w odpowiedzi na przyłożenie siły z góry.

Szkło płynie tak jak płyny, ale w tak bardzo powolnym tempie, że we wszystkich praktycznych celach przyjmuje wygląd ciała stałego w temperaturze pokojowej. Jednak po latach eksperymentów naukowcom wciąż nie udało się ustalić, czy atomy rozmieszczają się inaczej w szkle niż w cieczach.

Teraz zespół fizyków z University of Chicago zmierzył siły wywierane między cząstkami ziarnistymi, gdy zmieniły się one ze stanu statycznego na płynący, który prawdopodobnie odpowiada zmianom zachodzącym na poziomie atomowym w szkle, gdy staje się ono płynne w rosnących temperaturach. Odkrycie nie ma znanych zastosowań, ale rozwiązuje problem, nad którym naukowcy zastanawiają się od dziesięcioleci.

„Jest to coś, o czym się spekuluje. Jest to coś, co zostało zasymulowane, ale coś, co nie zostało zmierzone bezpośrednio, ” powiedział Heinrich Jaeger, profesor fizyki na Uniwersytecie w Chicago. Jaeger jest współautorem gazety Nature, wraz z Erikiem Corwinem, absolwentem fizyki i Sidneyem Nagelem, profesorem fizyki Stein-Freiler, obu na University of Chicago.

Jaeger powiedział, że w przypadku eksperymentów chicagowskich piasek lub małe szklane koraliki teoretycznie odpowiadają atomom w szklankach. Szklanki zachowują się jak zamrożona ciecz w temperaturze pokojowej, podczas gdy piasek i inne materiały ziarniste doświadczają podobnego stanu zamrożenia, zwanego zakleszczeniem, po ściśnięciu grawitacyjnym.

„Szkło w ogóle nie płynie w nawet ogromnych skalach czasowych i naprawdę jest zablokowane” - powiedział Corwin. Ale w pewnych warunkach zarówno szkła, jak i granulki zaczynają płynąć jak ciecze.

Chicagowscy naukowcy po raz pierwszy zmierzyli siły działające między poszczególnymi cząsteczkami w materiałach ziarnistych, przechodząc ze stanu zablokowanego do stanu płynnego. Symulacje komputerowe na Uniwersytecie w Chicago i gdzie indziej pokazują, że to przejście przypomina to, którego atomy doświadczają w topieniu szkła.

Bardzo trudno jest zmierzyć siły między poszczególnymi atomami, z wyjątkiem komputera. Ale pomiary Corwina tych sił w ziarnistych materiałach służą jako rodzaj szkła powiększającego, powiedział Jaeger, umożliwiając mu łatwiejszy odczyt przejścia zacinającego pozostawionego przez płynące koraliki w jego eksperymencie.

„Możemy zobaczyć, co się dzieje, kiedy przechodzisz ze stanu zablokowanego do stanu niezablokowanego” - powiedział Jaeger.

Aparat doświadczalny zawiera cylinder wypełniony 50 000 do 100 000 szklanych kulek. Tłok obrotowy napędzany silnikiem ściska perełki od góry. Naprężenie ścinające wywierane przez obracający się tłok przemieszcza się przez koraliki i oświetla plamę na specjalnie przygotowanej powierzchni na dole cylindra. Kamera wideo rejestruje następnie obrazy miejsc w ciągu godzinnego okresu zbierania danych.

Adam Bushmaker zaczął opracowywać optykę związaną z eksperymentem latem 2001 roku, uczestnicząc w programie National Experiment Foundation Research Experiences for Undergraduates. Bushmaker ukończył licencjat z fizyki inżynierii na University of Wisconsin, Platteville, w 2004 r. Następnie Corwin przejął projekt, budując ostateczny aparat i wykonując analizę danych przy dodatkowym wsparciu NSF i Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

„Eric był w stanie przenieść tę konkretną technikę pomiaru siły na nowy poziom” - powiedział Jaeger.

Analiza statystyczna danych Corwina wykazuje wyraźną różnicę w sposobie, w jaki ziarna przenoszą siły w zależności od tego, czy płyną, czy się zacięły.

W szkle przepływ zaczyna się, gdy ciepło wzrośnie do określonej temperatury. Podobnie badanie z Chicago pokazuje, że układy ziarniste mają coś, co naukowcy nazywają „temperaturą efektywną”, spowodowaną przez zastosowanie siły zamiast ciepła.

„Stos piasku w temperaturze pokojowej nie miałby wystarczającej energii do zmiany układu” - wyjaśnił Nagel. „Jednak gdyby wstrząsnąć pojemnikiem z piaskiem, na przykład energia dostarczona przez wstrząsy wystarczyłaby do zmiany układu cząstek. To wstrząsanie powinno działać w pewien sposób jak temperatura.”

Innym sposobem na stworzenie efektywnej temperatury w ziarnach jest zastosowanie siły ścinającej, tak jak zrobili to naukowcy z Chicago w swoim eksperymencie, która zmusiła cząsteczki do poruszania się i ciągłego przestawiania.

„Czy można powiązać„ efektywną temperaturę ”z dostarczoną energią lub przypadkowym ruchem spowodowanym przez naprężenia ścinające w płynącym ziarnistym materiale?” - zapytał Nagel. „Wykazaliśmy, że według jednego ścisłego środka możemy”.

Zaprojektowanie eksperymentu i doprowadzenie go do pomyślnego zakończenia wymagało niezliczonych godzin pracochłonnych dostosowań i kalibracji. „Cała ta sprawa ze wszystkimi jej udrękami zajęła nam kilka lat, ale kiedy pojawia się taki miły wynik, naprawdę warto” - powiedział Jaeger.

Źródło: University of Chicago